一种蒜种芽尖识别定向控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种蒜种芽尖识别定向控制系统，包括蒜种图像采集芽尖识别系统、调向控制系统、吸种盘、活动转块、磁铁、接近开关，吸种盘上沿圆周方向均匀设置多个相对吸种盘可旋转运动设有中心孔的活动转块，磁铁的数量和活动转块的数量相同，并固定安装在吸种盘端面靠近外边缘处，一个磁铁分别和一个活动转块中心径向对齐，接近开关与磁铁对应固定安装，蒜种图像采集芽尖识别系统包括电源Ⅰ、图像处理单元、继电器、光源、光源亮度调节装置、偏振片、镜头、偏光镜、相机，调向控制系统包括控制器、驱动器、电源Ⅱ、步进电机、径向磁铁和编码器。本发明专利技术能自动对连续运动的单粒蒜种定向，效率高，对蒜种品种适应性强，适合在大蒜种植机上应用。应用。应用。

【技术实现步骤摘要】
一种蒜种芽尖识别定向控制系统


[0001]本专利技术涉及智能农业机械
，具体是一种蒜种芽尖识别定向控制系统。

技术介绍

[0002]大蒜芽尖向上立直种植能够显著提升蒜薹和蒜头的质量和品质，由于大蒜蒜种形状不规则，体积相对较大，不同品种蒜种形状、大小差异大，要满足牙尖向上单粒直立种植的农艺要求，蒜种的机械化定向难于实现，成为大蒜种植机械化中世界性的难题，是实现大蒜种植机械化的关键。现有的大蒜种植机械多采用纯机械方法对蒜种进行定向，局限于具有重心分布靠下、芽尖较长特征的蒜种，对种植量占比约2/3的不具备上述特征的一般大蒜品种的蒜种适用性不佳。因此近年来人们开始对适用于一般蒜种的机器视觉定向技术进行了探索研究，目前多处在理论和室内台架研究阶段，大蒜芽尖识别算法研究主要以静态的蒜种图像作为研究对象，忽略了实际工作中运动、光照等对蒜种图像带来的影响，芽尖识别后的控制调向技术也多为间歇式的，效率低、缺少与大蒜种植机械结合的实用性。为适应对一般蒜种的机械化直立种植要求，本文专利技术提供了一套与气吸式排种技术相结合的基于机器视觉的蒜种芽尖识别定向控制系统。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，与气吸式排种装置结合，识别在气吸式排种装置转动的吸种盘上连续运动的单粒蒜种的芽尖方位并调整蒜种方位，使蒜种芽尖方向一致排出，蒜种定向效率高、对蒜种品种适应性强，适用于在大蒜种植机上应用。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案。
[0005]一种蒜种芽尖识别定向控制系统，包括蒜种图像采集芽尖识别系统、调向控制系统、吸种盘、活动转块、磁铁、接近开关，吸种盘上沿圆周方向均匀设置多个相对吸种盘可旋转运动的活动转块，活动转块设有中心孔，一侧表面设有径向凸起挡块，磁铁的数量和活动转块的数量相同，并沿圆周方向均匀固定安装在吸种盘端面靠近外边缘处，一个磁铁分别和一个活动转块中心径向对齐，接近开关位置与磁铁对应固定安装，并与磁铁表面之间距离为3~5mm，蒜种图像采集芽尖识别系统与调向控制系统经信号线连接，蒜种图像采集芽尖识别系统包括电源Ⅰ、图像处理单元、继电器、光源、光源亮度调节装置、偏振片、镜头、 偏光镜、相机，电源Ⅰ分别与图像处理单元和光源亮度调节装置连接，继电器通过GPIO口与图像处理单元连接，并与接近开关连接，光源设置成圆环形，距离吸种盘85~115mm固定安装在吸种盘的活动转块无径向凸起挡块一侧，并其中心与活动转块中心对应，与光源亮度调节装置经DC接口连接，偏振片设置成与光源一样的圆环形，固定安装在光源前面，镜头设置在光源中心处，并通过光源的圆环形中心孔伸出，偏光镜固定安装在镜头前面，相机设置在镜头后面，相机经USB接口连接图像处理单元，调向控制系统包括控制器、驱动器、电源Ⅱ、步进电机、径向磁铁和编码器，控制器经串口连接图像处理单元、经GPIO接口连接驱动器，电源
Ⅱ
和驱动器连接，驱动器经驱动线连接步进电机，步进电机固定安装在吸种盘的活动转块有凸起挡块一侧，步进电机中心对应活动转块中心，并与光源中心沿吸种盘圆周前面间隔两个活动转块的距离，步进电机轴的前端对称固定安装两个拨杆，拨杆前端伸入活动转块的径向凸起挡块，径向磁铁固定安装在步进电机尾端的步进电机轴上，径向磁铁的中心线与步进电机轴共线，编码器距离径向磁铁约2.5~3.5mm安装在步进电机尾端壳体上，控制器通过IIC接口连接编码器。
[0006]所述图像处理单元，对采集到的蒜种图像，用Gamma灰度校正归一化光照，采用高斯滤波器给图像降噪，经固定阈值处理和连通域分析从蒜种图像中提取出蒜种区域，得到蒜种区域为白的二值图像，从距离质心最小处将蒜种轮廓分割成前后两个轮廓片段，每个片段以计算与质心的距离、曲率方式生成标识图表示形状，并从两张标识图中各提取质心距离和曲率的最大值、最小值、均值、方差、极差、中位数特征值组成一个12维特征向量，对前后两个轮廓片段的12维特征向量作差分，根据正负号编码形成一个12维布尔向量，以该布尔向量为输入用支持向量机模型训练芽尖朝向分类模型，依据该模型得到蒜种芽尖所在的轮廓片段，将该轮廓片段上质心距离最大的点作为芽尖点，根据芽尖点和质心的相对位置得到蒜种的芽尖朝向，蒜种芽尖朝前识别结果为1，否则为0，将识别结果按顺序存储在队列中，图像处理单元在每次图像采集前将识别结果队列中最前面一个识别结果发送给控制器，在初始化时向队列前面插入图像采集位置即光源中心对应吸种盘的位置到调向位置即步进电机轴心对应吸种盘的位置间隔两个活动转块相应的两个识别结果0。
[0007]所述控制器接收到图像处理单元发送的识别结果立即根据图像识别结果判断是否执行调向操作，识别结果为0时，控制器判断为不执行调向，不动作，识别结果为1时，控制器判断为执行调向，并向驱动器发出脉冲信号，驱动器驱动步进电机转动180
°
，控制器以零位为基准计算步进电机的步数并控制步进电机转动到目标位置，控制器每隔20个脉冲从编码器获取步进电机轴的位置反馈，若20个脉冲间隔步进电机转动角度小于3.6
°
，则判断步进电机发生堵转，控制器重新计算当前位置到目标位置的步数，控制步进电机降频并重新加速通过堵转点，若超过设定的降频次数阈值，判断步进电机被卡死，步进电机触发停转保护，否则步进电机则继续工作，调向控制系统上电初始化时对上次断电后未复位的拨杆进行复位，在每次调向完成后对下一次调向的目标位置在零点和绝对值为180
°
位置之间进行一个切换。
[0008]本专利技术的工作原理为：一种蒜种芽尖识别定向控制系统安装在大蒜种植机的气吸式排种装置上，调节光源亮度调节装置至光源亮度使采集的蒜种图像满足牙尖识别的要求。由大蒜种植机驱动吸种盘转动，气吸式排种装置使吸种盘上的每个活动转块无径向凸起挡块一侧的中心孔吸取一粒蒜种，吸种盘携带蒜种依次通过相机所在的图像采集位置和步进电机所在的调向位置，并在随吸种盘转动过程中蒜种到达图像采集位置之前调整蒜种长度方向与转动方向一致，到达图像采集位置时蒜种牙尖朝向只有朝前和朝后两种情况。当蒜种进入图像采集位置区域时，吸种盘上的相应磁铁通过接近开关，触发接近开关，接近开关通过继电器经GPIO口输出电平信号到图像处理单元，控制相机采集图像，并触发图像处理单元从相机获取蒜种图像，图像处理单元获取蒜种图像后，对采集到的蒜种图像，用Gamma灰度校正归一化光照，采用高斯滤波器降噪，接着通过固定阈值处理得到前景为白、背景为黑的二值化图像，经连通域分析后以黑色填充图像中非蒜种区域，得到仅蒜种区域
为白的二值图像。若填充后无白色区域，则判断当前吸孔未吸到蒜种，图像处理单元直接给出无需调向的结果0，并等待采集下张蒜种图像。若存在白色区域，则从二值图中提取蒜种轮廓，并从蒜种轮廓到质心距离最小的点处将轮廓分割为前后两段轮廓片段，每个片段以计算质心距离方式生成标识图表示形状，从标识图中各提取最大值、最小值、均值、方差、极差、中位数6个特征值，同理，以计算轮廓曲率方式提取6个特征值，组成一个12维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蒜种芽尖识别定向控制系统，包括蒜种图像采集芽尖识别系统、调向控制系统、吸种盘（1）、活动转块（2）、磁铁（3）、接近开关（4），其特征在于：吸种盘（1）上沿圆方向均匀设置多个相对吸种盘（1）可旋转运动的活动转块（2），活动转块（2）设有中心孔，一侧表面设有径向凸起挡块，磁铁（3）的数量和活动转块（2）的数量相同，并沿圆周方向均匀固定安装在吸种盘（1）端面靠近外边缘处，一个磁铁（3）分别和一个活动转块（2）中心径向对齐，接近开关（4）位置与磁铁（3）对应固定安装，并与磁铁（3）表面之间距离为3~5mm，蒜种图像采集芽尖识别系统与调向控制系统经信号线连接，蒜种图像采集芽尖识别系统包括电源Ⅰ（5）、图像处理单元（6）、继电器（7）、光源（8）、光源亮度调节装置（9）、偏振片（10）、镜头（11）、 偏光镜（12）、相机（13），电源Ⅰ（5）分别与图像处理单元（6）和光源亮度调节装置（9）连接，继电器（7）通过GPIO口与图像处理单元（6）连接，并与接近开关（4）连接，光源（8）设置成圆环形，距离吸种盘（1）85~115mm固定安装在吸种盘（1）的活动转块（2）无径向凸起挡块一侧，并其中心与活动转块（2）中心对应，与光源亮度调节装置（9）经DC接口连接，偏振片（10）设置成与光源（8）一样的圆环形，固定安装在光源（8）前面，镜头（11）设置在光源（8）中心处，并通过光源（8）的圆环形中心孔伸出，偏光镜（12）固定安装在镜头（11）前面，相机（13）设置在镜头（11）后面，相机（13）经USB接口连接图像处理单元（6），调向控制系统包括控制器（14）、驱动器（15）、电源Ⅱ（16）、步进电机（17）、径向磁铁（18）和编码器（19），控制器（14）经串口连接图像处理单元（6）、经GPIO接口连接驱动器（15），电源Ⅱ（16）和驱动器（15）连接，驱动器（15）经驱动线连接步进电机（17），步进电机（17）固定安装在吸种盘（1）的活动转块（2）有凸起挡块一侧，步进电机（17）中心对应活动转块（2）中心，并与光源（7）中心沿吸种盘（1）圆周前面间隔两个活动转块（2）的距离，步进电机（17）轴的前端对称固定安装两个拨杆（20），拨杆（20）前端伸入活动转块（2）的径向凸起挡块，径向磁铁（18）固定安装在步进电机（17）尾端的步进电机（17）轴上，径向磁铁（18）的中心线与步进电机（17）轴共线，编码器（19）距离径向磁铁（18）为2.5~3.5mm且安装在步进电机（17）尾端壳体上，控制器（14）通过IIC接口连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋井玲，徐洪岑，程振，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：